医用可降解多孔锌镁合金的制备及性能研究

医用可降解多孔锌镁合金的制备及性能研究锌作为人体必须的微量元素之一,在生物可降解金属材料中具有最适宜的降解速度,是一种极具发展前景的生物材料。但由于纯锌力学性能不足,无法满足植入体力学强度需求。

针对此问题本文采用粉末冶金法,通过添加Mg元素合金化来改善纯锌的力学性能,添加造孔剂制备了具有多孔结构的锌镁合金,希望通过制备连通的孔隙结构达到人体松质骨仿生的目的。首先,设计制备出四组成分比例的Zn-xMg

（x=0,5,10,15 wt.%）块体Zn-Mg合金。

通过对比烧结后块体的致密度与力学性能,发现Mg的固溶强化与

MgZn₂相析出强化作用显著,其中Mg含量为10 wt.%的综合力学性能较高,因此优选Zn-10Mg作为制备多孔锌镁合金的基材。为了达到仿生效果并能够与松质骨力学性相匹配,本研究选用尿素为造孔剂,通过设计调控造孔剂比例,分别制备出孔隙率为10.2%、23.4%、40.4%和57.3%的多孔Zn-10Mg合金,开孔率范围在1.4-24.7%,平均孔径范围在416-612μm。

研究结果如下:（1）多孔Zn-10Mg合金的抗压强度、弹性模量与孔隙率之间存在幂指函数关系。孔隙结构会削弱材料的机械性能,随孔隙率从10.2%提升至57.3%,多孔Zn-10Mg合金的抗压强度由99 MPa下降至8 MPa,抗弯强度由21.4 MPa 下降至7.4 MPa。

（2）通过电化学测试与模拟体液（SBF）静态浸泡测试,研究了多孔Zn-10Mg 合金的体外降解行为。结果发现采用该工艺方法制备的不同孔隙率的多孔

Zn-10Mg合金腐蚀行为基本一致,随着孔隙率提高,腐蚀性能显著降低,其腐蚀过程分大致为三个阶段:前期Mg单质快速降解;中期Mg单质耗尽腐蚀产物沉积腐蚀

迅速回落;后期动态平衡腐蚀速率缓慢增加。

多孔试样体外静态浸泡28天后稳定腐蚀速率分布范围为

0.176-2.516mm/year。（3）多孔Zn-10Mg合金的生物相容性评价表明其浸提液针对L-929细胞具有良好的细胞相容性,细胞毒性等级为0-2级。

综合对比四种不同孔隙率的Zn-10Mg合金的各项性能,并依据Gibson-Ashby 模型拟合计算分析其力学强度与孔隙率关系,得知孔隙率分布在40.4%-57.3%范围内的多孔Zn-10Mg合金,其力学强度与孔隙结构特征更接近人体松质骨特征,并且其降解速率与细胞毒性均符合可降解金属医用材料的安全使用要求。